: 接触栅控效应在二维晶体管微缩化中的关键作用与量化分析

《ACS Nano》：Impact of Contact Gating on Scaling of Monolayer 2D Transistors Using a Symmetric Dual-Gate Structure

本研究通过构建对称双栅结构，系统量化了接触栅控（CG）效应对二维（2D）晶体管性能的影响。结果揭示，在微缩尺寸下，CG能显著提升开态电流（ION）和跨导（gm），并降低传输长度（LT），为未来高性能晶体管的设计与性能评估提供了关键见解。

　　

二维半导体，特别是过渡金属硫族化合物（TMDs），因其原子级薄层厚度和优异的静电控制能力，被公认为是下一代微缩场效应晶体管（FETs）的理想沟道材料。其中，单层二硫化钼（MoS₂）作为典型的n型TMD，已成为微缩研究的模型体系。然而，二维晶体管的性能与微缩潜力不仅取决于材料本征属性，更受到器件几何结构定义的电学特性的深刻影响。其中，接触栅控（CG）是一个关键但常被低估的因素。

接触栅控普遍存在于背栅（Back Gate）结构中，其根源在于栅电极与源/漏（S/D）电极存在重叠区域。当栅压改变时，电场会调制电极下方的二维半导体，改变局部的能带对齐与载流子浓度，从而影响金属-半导体界面的载流子输运和接触电阻（R_C）。尽管已有研究认识到CG会影响R_C、传输长度（L_T）并使场效应迁移率（μ_FE）的提取复杂化，但其作用机制，尤其是在微缩单层MoS₂晶体管中的影响程度，仍缺乏清晰的量化理解。此外，许多报道的创纪录低接触电阻二维晶体管都采用了存在接触栅控的背栅结构，这使得准确评估材料的本征性能面临挑战。

为了定量剖析接触栅控效应，本研究设计并制备了一种具有独立寻址顶栅和背栅的对称双栅单层MoS₂晶体管结构。该结构的对称性确保了顶栅和背栅对沟道区域的调制能力基本一致，但两者对接触区域的影响截然不同。当通过背栅（蓝色）偏置器件时，电场能够调制S/D电极下方的MoS₂（即接触栅控）；而当通过顶栅（绿色）控制时，电场被金属S/D电极屏蔽，无法调制接触区域内的半导体。通过扫描电子显微镜（SEM）和扫描透射电子显微镜（STEM）结合能谱分析（EDS），确认了栅叠层的结构对称性，排除了界面或介电层不对称带来的干扰。

利用此对称双栅结构，研究者对接触栅控效应进行了系统性评估。在长沟道器件（L_ch= 1 μm, L_c= 200 nm）中，转移特性曲线清楚地展示了接触栅控对开态行为的增强作用：背栅控制（即存在全CG效应）时，器件表现出更高的开态电流（I_ON）、更大的跨导（g_m）以及更宽的线性响应区域。具体而言，背栅控制下的I_ON约为17 μA/μm，而顶栅控制下仅为~7 μA/μm，性能下降了约60%。

为了量化这一效应，研究者引入了接触栅控因子（β_CG）的概念。对于关态，通过分析阈值电压（V_th）与静态栅压（V_static）的关系，可以提取关态CG因子（β_CG–off）。在长沟道器件中，提取出的β_CG–off为1.56，表明背栅对V_th的影响比顶栅更强。

在开态，接触栅控的影响更为显著。通过提取固定过驱动电压（V_OV= V_GS- V_th）下的I_ON和g_m，研究者计算了开态CG因子（β_CG–on）。ON and g_mare affected by contact gating.">分析显示，在长沟道器件中，接触栅控使I_ON和g_m提升了约2倍。其物理机制在于，CG效应有效减薄了肖特基势垒宽度，从而降低了接触电阻中的结电阻成分。

接触栅控效应在器件微缩下的放大

研究的核心发现之一是，随着器件尺寸的微缩，接触栅控效应被显著放大。当沟道长度（L_ch）缩短时，沟道电阻（R_CH）减小，器件性能逐渐由接触电阻（2R_C）主导，这使得接触区域的调制对整个器件性能的影响变得更加关键。

通过对不同L_ch器件的分析发现，当L_ch从1 μm缩小到100 nm时，β_CG–on(I_ON) 从约2倍急剧增加到约4.9倍，β_CG–on(g_m) 更是增加到约6.6倍。这清晰地表明，在接触主导的性能区域，CG效应得到了放大。

为了进一步研究在完全接触主导的极限情况（此时R_CH可忽略）下CG的影响，研究者制备并测试了L_ch= 50 nm的器件，并对其接触长度（L_c）进行了微缩。结果显示，随着L_c从200 nm减小到30 nm，β_CG–on(I_ON) 从约5倍增加到6.3倍以上。这表明在高度微缩的器件中，CG对开态性能的增强作用超过了5倍。

更关键的影响体现在对传输长度（L_T）的评估上。L_T是衡量载流子注入效率的关键参数。分析L_c为50 nm的器件的2R_C与L_c关系图发现，在存在CG（背栅控制）时，L_T小于30 nm；而在没有CG（顶栅控制）时，L_T约为100 nm。CG使得L_T显著减小了约70%。这一发现至关重要，因为它意味着在评估接触的微缩极限时，如果不考虑CG效应，可能会严重高估器件的实际微缩能力，因为CG人为地“改善”了L_T，使器件看起来能够在更短的接触长度下工作。

研究意义与未来展望

综上所述，本研究通过对称双栅结构，首次对单层二维晶体管的接触栅控效应进行了系统性量化。研究结果表明，CG效应会显著影响二维晶体管的关键性能参数，如I_ON、g_m、R_C和L_T，并且这种影响在器件微缩时会急剧放大。这一发现对于二维半导体器件的性能评估和未来技术发展具有深远意义。

首先，它解释了为何许多采用背栅或栅极与源漏电极重叠结构的二维晶体管能够报道出超低的接触电阻和优异的开态性能。这些优异的指标部分来源于CG效应的“贡献”，而非纯粹的材料或接触界面的本征突破。因此，在评估和比较不同二维晶体管技术的性能时，必须明确器件结构，考虑CG带来的影响，否则可能导致误导性的结论。

其次，研究明确指出，一个栅极与源漏电极完全重叠（即存在完全CG效应）的器件结构，对于高性能晶体管技术而言是不切实际的。因为这种重叠会引入巨大的栅-源/漏寄生电容，导致功耗增加和本征延迟恶化。这些寄生效应在直流或低频表征中难以察觉，但在实际电路工作的高频环境下会成为严重瓶颈。

因此，为了实现真正适用于高性能技术的二维晶体管，未来的研究和设计需要转向能够消除或严格控制接触栅控的器件结构，例如采用自对准顶栅或背栅技术，将CG效应限制在栅介质边缘的狭窄区域内。或者，需要发展能够在接触区域实现有效载流子注入的替代方案，例如局部化学或电化学掺杂策略，以取代依赖静电掺杂的接触栅控架构。

总之，本研究通过精确的实验设计和量化分析，阐明了接触栅控在二维晶体管微缩化中的关键角色，为未来二维半导体器件走向实际应用提供了重要的设计准则和评估基准。